天然氣循環鉆井系統可靠性研究

徐寶昌 陳永坤 柳貢慧

1.中國石油大學(北京) 2.北京強度環境研究所 3.北京聯合大學

天然氣循環鉆井系統可靠性研究

徐寶昌1陳永坤2柳貢慧3

1.中國石油大學(北京) 2.北京強度環境研究所 3.北京聯合大學

天然氣循環鉆井是一種新型的氣體鉆井工藝,可以使鉆井用天然氣得到循環使用,有效節約成本,提高鉆井效率,保護環境;但該工藝技術復雜,對系統安全性要求較高。為此,運用故障樹模型與蒙特卡羅仿真相結合的方法,首先分析工藝過程存在的危險源以及可能發生的事故;建立基于故障樹模型的工藝過程仿真邏輯關系,采用蒙特卡羅仿真方法對系統進行事故模擬,從而對該系統的可靠性作出了定量分析。通過針對泄漏事故、超壓爆炸事故以及壓縮機事故的仿真,得出相應的系統平均失效時間、不可靠度以及單元重要度等可靠性參數。結論認為:該鉆井系統的可靠性能夠滿足天然氣循環鉆井試驗的要求。

氣體鉆井 天然氣循環鉆井 可靠性 故障樹 蒙特卡羅仿真 定量分析 事故模擬

天然氣循環鉆井是在氣體鉆井技術基礎上的探索和改進。在原有天然氣鉆井設備的基礎上增加了天然氣凈化回收及循環系統,實現鉆井用天然氣的循環利用,達到降低鉆井綜合成本、保護環境等目的,具有較廣闊的應用前景[1]。該工藝尚處在試驗階段,涉及安全相關問題的研究尚屬空白。由于配套設備多,工況變化大,人工操作不能保證高可靠性,要求較高的自動化程度。雖然天然氣循環鉆井自控系統的設計具有一定的安全功能,但因受控制系統自身可靠性的局限,風險依然存在。為此,筆者采用蒙特卡羅仿真法[2-9]分析了天然氣循環鉆井系統的可靠性,并對該系統的可靠性作出了定量分析。

1 鉆井工藝流程及控制系統

天然氣循環鉆井系統不同于石油煉制等長時間連續穩定運行的系統,該系統是與其他鉆井設備配合,在特定的鉆進深度范圍內使用的。因此,工藝具有工況變化頻繁的特點,由此帶來一定的控制難度。

1.1 工藝流程

天然氣循環鉆井系統包括分離凈化系統、排料系統、循環系統這3個子系統。分離凈化系統由兩級分離器、緩沖罐以及2臺并聯精細過濾器組成;排料系統由兩級分離器下的排料罐以及3臺自吸泵組成;循環系統包括2組天然氣增壓機,天然氣壓縮機,地面管匯等。

天然氣循環鉆井系統工藝流程如圖1所示。天然氣循環鉆井系統首先從天然氣管網獲得氣源,通過增壓機組將天然氣壓力增至鉆井所需壓力,然后注入井筒實現天然氣鉆井。鉆井使用后的天然氣在工況穩定的情況下進入天然氣分離凈化系統中。在分離凈化系統內,天然氣首先通過兩級旋風分離器,分離出的巖屑落入排料罐并通過罐底排料口排出。自吸泵用來維持液位,保證分離器的密封性,同時維持排料口的瞬時流速在1 m/s以上,滿足排料口的攜巖能力,防止阻塞。一級分離器的巖屑量較大,為了保證排料能力,設1臺自吸泵來流化罐內巖屑。經過兩級分離器后的氣體通過緩沖罐,然后進入精細過濾器進行精細過濾。精細過濾器出口的天然氣,在符合壓縮機工作條件的情況下進入壓縮機組進行加壓。加壓后可以選擇去進一步增壓為鉆井提供氣源,或者進入另一組增壓機后匯入天然氣管網進行回收。工藝過程中一旦出現異常情況,可以經過幾路管道將氣體切換到排砂管線,將系統切換到放燃狀態。

圖1 天然氣循環鉆井系統工藝流程圖

1.2 控制系統

天然氣循環鉆井控制系統基于西門子S7200 PLC系統,具有邏輯控制和閉環連續控制這2種基本控制功能,同時兼有安全保護功能。

1.2.1 基本結構

控制系統下位機采用西門子CPU 224,PLC模擬量輸入輸出模塊為 EM 235,數字量輸入輸出模塊EM 223。上位機采用研華工控機 610H,系統基于W indow s XP,監控組態軟件平臺基于組態王6.5。上位機與下位機通訊采用RS485串行通訊方式。執行機構采用氣動球閥,其氣動執行器及配套電磁閥的作用方式根據安全需要進行設計。排料系統中的切斷閥選擇單作用執行器,在丟失氣源和控制信號的異常情況下都能夠自動關閉。對于天然氣管線上的大口徑閥門,采用單作用執行器具有難度,故選擇雙作用執行器,在其供氣管路增設儲能罐保證在氣源丟失時還可以動作若干次。可實現在丟失氣源和控制信號的異常情況下仍能將閥復位成所需狀態。

1.2.2 基本控制功能

PLC系統執行邏輯控制以及閉環連續控制。邏輯控制包括正常的開車、停車、工藝過程的切換。此外系統具有2個閉環連續控制回路,分別用來控制1、2級分離器排料罐的水位。安裝在分離器水罐上的液位計測量液位信號,將其送入PLC的模擬量輸入模塊中,通過A/D轉換送入控制器。經過編程的控制器執行PID控制功能,計算出當前控制量,并通過輸出模塊D/A轉換輸出給西門子變頻器M 430,控制變頻器間接調節水泵水量,從而調節分離器排料罐的水位。

1.2.3 安全保護功能

控制系統具有一定保護功能,可以在工況異常時控制系統進入安全狀態。

1)分離凈化系統防泄漏功能:分離器水罐液位在正常狀態時保持穩定。突然出現的異常或擾動可導致水被排空,天然氣從排料口排出造成泄漏。因此設計當液位計低限報警時,自動關閉排料口切斷閥,防止天然氣竄出分離器排料罐。

2)防系統超壓功能:當鉆進過程中突遇氣層,出氣量突然升高時,分離凈化系統內壓力會突然升高。在達到分離器承受極限壓力之前,系統自動打開分離器入口放空閥,將氣體排至排砂管線進行放燃。分離器入口放空閥為常開閥門,這樣當出現斷電事故時,電磁閥自動復位迫使放空閥打開,強制系統進入安全的放燃狀態。緩沖罐安裝有安全閥,壓力超過0.4 M Pa時可自動卸壓。安全閥排出氣體由管線送入燃燒池自動點燃。

3)壓縮機入口放燃功能:當檢測回收天然氣濃度不滿足回收要求時,打開壓縮機入口處放空閥對天然氣進行放燃處理,卸載壓縮機組,暫停回收工藝。由于分離器位于水罐頂部,水罐水位過高會導致天然氣將水帶出分離器進入下一級過濾器和壓縮機,導致壓縮機事故。因此在液位超過高限時便會啟動該功能。

4)緊急停車功能:用來實現當系統遇到緊急情況時,執行一次手動操作便完成停車,打開所有放空閥,切斷排料口閥門,卸載壓縮機組,保證系統進入安全狀態。

2 鉆井系統可靠性研究

筆者針對天然氣循環鉆井系統可能發生的3種事故——泄漏、超壓爆炸以及壓縮機事故,分別進行研究。運用蒙特卡羅仿真方法,在此以分析分離系統泄漏事故為例,對天然氣循環鉆井系統進行了可靠性分析,并且通過仿真結果,得出分析結論。

2.1 仿真模型的建立

仿真模型由系統模型及仿真邏輯關系構成。系統模型包含了組成系統的所有基本單元。由于基本單元主要屬于電子、電氣設備,根據電子設備的失效特點,可認為其失效概率密度函數服從指數分布,并且各基本單元失效方式和失效率已知;系統仿真邏輯關系基于故障樹模型建立。故障樹的頂事件作為系統失效事件(發生事故事件),由 n個底事件組成。底事件包含系統基本單元失效、工況異常等可能導致系統事故的一切情況。引入時間參量后,故障樹的結構函數用<[x(t)]表示:

其中 x (t)為系統狀態變量,式中bi(t)(i=1,n)為第 i個底事件的狀態變量。取

研究分離凈化系統泄漏模型,根據對工藝設備和控制系統的分析可知,排料口發生天然氣泄漏是由于水罐內水排空以及排料口切斷閥切斷失敗兩種情況同時發生所導致;水罐內水排空可由水泵供水失敗以及分離系統壓力過高兩種情況的任意一項造成;水泵供水失敗是由水泵故障、變頻器故障、PLC故障、液位計及配套安全閥故障、斷電事故中的任意一項造成;分離系統壓力過高是由于天然氣出氣量過大、切放燃失敗兩種情況同時發生所造成。根據系統基本單元之間的關系建立分離凈化系統氣體泄漏故障樹模型(圖2)。分離凈化系統由兩級分離器構成,二者泄漏故障樹模型相同。

2.2 隨機抽樣方法

采用算法簡便、抽樣效率高的直接抽樣方法。對于一個隨機變量X,它的分布函數是 FX(x),它的逆函數為:

設U表示單位均勻分布隨機變量,又有 Y= F-1X(u),u∈U,則隨機變量Y與X有相同的分布函數FX(x)。因此,利用均勻分布隨機變量U,通過逆變換得到具有分布 FX(x)的隨機變量。即首先產生偽隨機數ζ,然后 x←F-1X(ζ)。

故障樹模型中的底事件既包含系統單元失效事件,如壓力傳感器失效等;同時還包含非單元失效事件,例如斷電事故、天然氣出氣量過大、壓縮機組意外停車等。對于系統單元失效事件,具有確定的分布函數,故采用上述的連續抽樣方法;而對于非單元失效事件,則采用下列離散抽樣方法。

圖2 兩級分離器氣體泄漏故障樹模型圖

以處理天然氣出氣量過大的仿真為例。現場井口出氣量有兩種狀態:其一是系統所能承受的正常氣量,不會對系統造成危險;其二是過大的氣量,可能成為造成系統發生事故的基本事件之一。出氣量受鉆進過程以及地層等影響,不服從指數分布,但可以認為在統計上具有其特性。設系統運行過程中氣量正常的概率是80%,對應的狀態抽樣值為0,發生氣量過大的概率是20%,狀態抽樣值為1。為模擬這一狀態,首先產生服從(0 1)均勻分布的隨機數,對應抽樣值。采用離散抽樣方法:

即在每個仿真時刻,有20%的概率發生氣量過大。

2.3 仿真程序設計

仿真程序設計包括模擬系統狀態隨時鐘改變以及系統失效時間抽樣兩個主要內容。仿真程序基于Matlab 7.0實現。均勻分布隨機數由Matlab函數產生。根據蒙特卡羅方法原理,在獲得隨機變量的 N個簡單子樣以x1,x2,…,xN后,用統計量的算術平均值

作為所求量的近似估計。以此原理可以計算平均無故障時間、不可靠度等可靠性參數。當統計量的子樣數N充分大時,其均值以概率1收斂于其期望值。

2.3.1 模擬系統狀態的改變

首先模擬一個時鐘,使得其按照系統狀態發生改變的時間序列 t1,t2,t3,…,tn不斷向前推移。如果在某時刻滿足系統狀態改變條件,則執行狀態改變。系統的狀態改變通過時間序列中的當前時刻t以及單元的失效時間樣本來判斷。在第 j次仿真中,通過對組成系統的n個單元進行壽命隨機抽樣,取得每個單元的失效時間樣本 t1j,t2j,t3j,…,tnj,在第 j次仿真運行中,得到第i個單元在時刻t的狀態為:

其中tij為第j次仿真中第i個單元的失效時間樣本,當其小于或等于t時,判定其狀態為失效。

2.3.2 系統失效時間抽樣

將第 j次仿真中獲得的n個單元z1,z2,z3,…,zn的失效時間樣本 t1j,t2j,t3j,…,tnj按照從小到大順序排列。排列后為tf1,tf2,…,tfk,…,tfn,相應的單元順序也重新排列 z′1,z′2,z′3,…,z′n。按以上順序,首先將單元z′1置為失效狀態,系統狀態發生改變,模擬時鐘t=tf1,其余單元均未失效,根據系統仿真邏輯關系判斷系統在該時刻是否失效。如果系統未失效,則將單元z′2置為失效狀態,模擬時鐘 t=tf2,再檢查系統是否失效。如此進行下去,直到 z′k單元發生失效,模擬時鐘t=tfk。若此時系統失效,則

2.3.3 仿真次數的確定

仿真次數由期望的仿真結果誤差來確定。根據蒙特卡羅法誤差公式(8)[10]為:

式中 xa表示正態差,由已知置信水平1-α后,按照正態積分表確定;α表示置信度;σ表示標準差。取置信水平為0.977,通過嘗試性的仿真試驗得到相應的仿真誤差,根據誤差達到要求與否來決定是否增加仿真次數。通過考察系統平均無故障運行時間以及不可靠度兩種結果的誤差,確定N為5萬次。

2.4 仿真結果分析

以針對分離系統天然氣泄漏事故的可靠性分析為例,仿真得出平均無故障時間、不可靠度、單元重要度以及單元模式重要度這4個重要參數,并分析了結果。

2.4.1 系統平均無故障時間

系統平均無故障時間(mean time to failure,M TTF),是系統能夠連續正常工作的時間長度的平均值。經過5萬次仿真運行獲得系統仿真時間樣本,由公式(9)計算得出系統 M TTF為11 280 h。即

2.4.2 不可靠度

經過仿真計算得到系統不可靠度曲線如圖3所示。系統不可靠度曲線近似呈現指數分布的特征,這與組成系統的元件中電子元件占多數有關。因為電子元件失效特性呈現指數分布。由仿真結果可知,系統連續工作1 mon(720 h)的不可靠度為0.75%;3 mon為5.76%;6 mon為18.28%。系統可靠性能夠滿足循環鉆井試驗的要求。

2.4.3 元件重要度分析

單元重要度W(zi)描述單元zi在系統中的重要程度;單元模式重要度WN(zi)描述單元 zi失效引起的系統失效占系統總失效次數百分比,指明了系統薄弱環節。

圖3 系統不可靠度(F)曲線圖

分析與分離系統泄漏事故相關的18個系統單元的單元,其重要度和單元模式重要度如圖4所示,其中PLC的單元重要度達到1,說明如果該單元失效那么系統必然失效;兩級分離器排料口切斷閥以及液位低限開關的重要度其次;從模式重要度角度分析,兩級分離器的排料口切斷閥的系數最高。說明以上兩單元是系統薄弱環節,在可靠性設計中需給予更多關注,提高可靠性對提升系統可靠性的貢獻最大。

圖4 單元重要度圖

通過分析可以得知,如需要提升系統避免天然氣泄漏事故的可靠性,則應以PLC、排料口切斷閥以及液位低限開關為重點單元,優先提升單元可靠性,從而提升系統整體的可靠性。

3 結論

1)提出了一種分析鉆井系統可靠性的新方法。

2)通過基于蒙特卡羅仿真和故障樹模型的可靠性分析方法,對天然氣循環鉆井系統進行了可靠性分析,找到了系統的薄弱環節,驗證了該方法在分析此類問題上的可行性。

3)分析結果為將來蘇里格氣田蘇14-13-39井現場試驗系統的設計和改進提供了重要指導。對于分析結論指出的關鍵的環節,可通過更換可靠性更高的設備以及增加冗余結構來提高系統的整體可靠性。

[1]徐寶昌,吳建章,陳永坤,等.天然氣循環鉆井計算機控制系統研究[J].石油機械,2008,36(12):15-19.

[2]任文杰,王偉,王麗君,等.蒙特卡羅仿真在飛控系統可靠性評估中的研究[J].計算機仿真,2009,26(4):63-66.

[3]葉黔元,陳錦輝,朱勝波.堆垛起重機鋼結構體系可靠性分析的蒙特卡羅模擬[J].上海理工大學學報,2006,28(1): 83-86,90.

[4]JEONG H K,SHENOIR A.Probabilistic strength analysisof rectangular FRP p lates using Monte Carlo simulation [J].Computers&Structures,2000,76(1/3):219-235.

[5]B ILL IN TON R,L IWenyuan.Reliability assessment systems of electric power system using Monte Carlo methods [M].New York:Plenum Press,1994.

[6]BILL INTON R,WANGDEEW.Delivery point reliability indices of a bulk electric system using sequential Monte Carlo simulation[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(1):345-352.

[7]蔣金良,王遂,任震.基于蒙特卡羅法的高壓直流輸電系統可靠性評估[J].華南理工大學學報:自然科學版,2008,36 (2):128-132.

[8]丁明,張靜,李生虎.基于序貫蒙特卡羅仿真的配電網可靠性評估模型[J].電網技術,2004,28(3):38-42.

[9]熊懷欣.基于失效時間函數的系統可靠性數字模擬算法的研究[J].系統工程理論與實踐,2001(8):58-62.

[10]肖剛,李天柁.系統可靠性分析中的蒙特卡羅方法[M].北京:科學出版社,2003.

Reliability analysis of a circular natural gas dr illing system

Xu Baochang1,Chen Yongkun2,Liu Gonghui3
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249,China,2.Beijing Institute of Streng th and Environment Engineering,Beijing 100076,China;3.Beijing Union University,Beijing 100020,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.74-78,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

A circular natural gas drilling system is a new gas drilling p rocess,the drilling-used natural gas can be recycled to save cost,imp rove drilling efficiency,and reduce the impact on the environment.This drilling p rocess,however,is complicated aswell as having extremely strict requirements for drilling system safety.In view of this,the hazards and potential accidents during this drilling p rocess are first analyzed in combination w ith fault treemodeling and Monte Carlo simulation.Then a logical simulation relationship is set up acco rding to the p rocedures coming out of the Fault Tree Modeling and accident simulation is performed on this drilling p rocess by use of Monte Carlo simulation.On basis of this,quantitative analysis ismade on the reliability of this drilling system. Through simulation of the leakage,overp ressure exp losion and comp resso r accidents,the reliability parameters are thusobtained like the average failure time,unreliability and unit importanceof this circular drilling system.The results show that the reliability of this drilling system can meet the requirements of the experiments of circular natural gas drilling.

gas drilling,circular natural gas drilling,reliability,fault tree,Monte Carlo simulation,quantitative analysis,accident simulation

國家高技術研究發展計劃(863計劃)“氣體鉆井技術與裝備”(編號:2006AA 06A 103)。

徐寶昌,1974年生,副教授,博士;2005年畢業于北京航空航天大學;主要從事復雜油氣系統的信息處理、建模與先進控制研究工作。地址:(102249)北京市昌平區中國石油大學。電話:13683262121。E-mail:xbcyl@163.com

徐寶昌等.天然氣循環鉆井系統可靠性研究.天然氣工業,2011,31(2):74-78.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.018

(修改回稿日期 2010-12-08 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.018